高速动车组空转与滑行控制分析
摘要
高速动车组运行速度高，需要充分利用轮轨间粘着力，控制空转和滑行，以发挥最优的牵引力、制动力，有效提高列车加速能力，降低制动距离，同时还要避免轮轨擦伤，增加使用寿命。本文分析了空转、滑行的相关系统构成，探究其控制方式的工作原理。
关键词：动车组 空转 滑行 粘着
引言
高速动车组通过轮轨间的粘着力实现牵引和制动，雨雪天气等情况下，粘着条件变差，可能出现空转或滑行情况，该工况下轮对踏面和轨面出现滑动摩擦，易导致踏面擦伤。动车组通过安装在各位置的速度传感器实现空转、滑行检测，控制系统针对空转、滑行状态采取保护措施，避免对轮、轨造成损伤。是动车组重要的保护功能之一，为动车组稳定运行提供了重要的保障。
一、空转、滑行的产生
车轮和钢轨接触的表面产生微观弹性形变，车轮滚动前进时轮周速度总是略低于列车速度，这个速度差是蠕滑速度。动车组牵引电机的驱动力通过车轮传递到钢轨上，产生轮周牵引力，钢轨对车轮产生粘着力。当牵引力增大超过粘着力时，轮周速度超过列车速度，蠕滑速度变大，产生空转。空转发生时，不能有效传递驱动力，对动车组运行不利，同时严重的空转会导致踏面产生擦伤，缩短使用寿命。同样的，当制动力超过粘着力时会发生滑行，滑行导致制动距离增加，不利于动车组制动能力的发挥，过长的制动距离导致风险增加，严重的滑行也会导致踏面损伤。
二、制动控制系统与防滑控制
1．制动控制系统
空气制动由制动控制系统产生，制动控制系统主要由制动控制单元、供风系统、制动控制模块、制动夹钳等部分组成。供风系统为列车制动系统提供风源，制动控制单元接收司控器等发送的制动级位指令，按照级位控制各电磁阀动作形成预控制压力，经中继阀形成制动压力输送到本车各制动夹钳，制动夹钳在制动压力的作用下夹紧制动盘，产生制动力。各轴制动夹钳管路中布置有防滑阀，防滑阀由制动控制单元控制，用于防滑控制中调整单
根轴制动力大小。防滑阀主要有三个工作状态：正常状态，电磁阀失电，制动压力直接传递到夹钳；保压状态，电磁阀切断制动压力输入，保持当前风压，夹钳上的制动压力不变，制动力不变；排风状态，电磁阀切断制动压力输入，排掉夹钳处风压，制动力降低。
2．电制动
电制动由牵引控制单元控制，为减少闸片磨损，在部分制动工况下优先采用电制动，牵引控制单元将牵引电机转为“发电机”使用，把动能转换为电能回馈到电网中，实现制动。制动控制单元可以根据需要命令牵引控制单元取消电制动，以此实现防滑控制。
3．防滑控制
制动控制单元监控各轴转速，当轴速低于参考速度一定值时，触发防滑控制，此时制动控制单元通过网络命令牵引控制单元退出电制动模式，制动控制单元通过防滑阀排风，降低制动夹钳中制动压力，减小制动力，恢复车轮粘着力，避免出现车轮滑行甚至“抱死”，保护车轮和钢轨。
通过防滑阀排风、保压、恢复交替动作控制本轴制动力的大小，制动控制单元实时监控轴
速，轴速恢复则增加制动力，否则进一步减小制动力。防滑阀的交替动作使得轴速趋近于车速的同时，仍能获得一定的制动力，对提高动车组制动能力有重要作用。
参考轴的防滑控制：参考轴通常选用拖车轴，每个牵引单元设置一根参考轴，为获得准确的车速用于判断其它各轴速度，需要对参考轴的防滑控制做特殊设计。尤其在粘着条件较差的情况下，制动工况容易产生较大的速度波动。为避免在制动过程中失去真实车速，通常采用防滑阀排风方式降低或取消参考轴制动力，使其始终保持和车速一致。
二、牵引控制系统与空转保护
1．牵引变流器
高速动车组采用“交-直-交”的交流传动系统，主要包括四象限斩波器、中间直流环节、脉宽调制逆变器、牵引控制单元、冷却单元等。牵引变压器原边电压为来自接触网的25Kv交流电，次边1900V交流电输入给牵引变流器，在牵引变流器内经四象限斩波器变为直流提供给中间直流环节，再经脉宽调制逆变器变为三相交流电驱动牵引电机。牵引控制单元监控各环节相关参数，通过调节三相交流电的频率、电压按牵引级位控制牵引力输出大小。
2．牵引电机
高速动车组选用的牵引电机多为三相鼠笼式异步牵引电动机，在牵引工况时为动车组提供驱动力，在电制动工况时可为动车组提供电制动力。牵引电机在定子铁心、驱动端轴承、非驱动端轴承设置有温度传感器，用以监控电机温度；在非驱动端设置速度传感器和测速齿轮，用以监控电机转速。
3．空转保护
牵引控制单元通过电机速度传感器检测本车各轴速度，与参考速度对比，当轴速超过车速一定值时，触发空转保护。牵引控制单元将空转信息通过列车网络传递到HMI上，HMI产生声光报警，提示司机发生空转。同时车组将自动控制撒砂系统工作改善轮轨粘着条件，牵引控制单元降低本车牵引力输出，降低轮周驱动力。通过多种方式保护，避免车轮踏面和轨面发生损伤。保护动作完成后，根据列车速度、当前级位等，以一定斜率恢复牵引力，尽快恢复本车驱动能力。如果再次发生空转，则再次进入空转保护。
三、速度检测原理
动车组的空转、滑行检测主要依靠安装速度传感器直接或间接监控轴速实现，动车组速度检测通常设置在各轴端、电机等位置，通过传感器检测转速。常采用霍尔原理的传感器进行转速检测，有单通道、双通道等类型，常见工作电压15V、24V等。
传感器与测速齿轮配合，齿轮旋转时，齿划过传感器端部，传感器内部霍尔元件感应到磁场强度发生变化，通过信号处理电路生成方波信号，传递给车辆牵引控制单元、制动控制单元等，由各控制单元采集方波信号，计算出信号频率，然后根据测速齿轮参数、轮径、齿轮箱传动比等硬件参数计算得到速度，用于空转、滑行控制等功能。由牵引控制单元、制动控制单元将速度信息通过网络传递给中央控制单元，中央控制单元综合判断各速度信号后向网络发布列车速度。
牵引控制单元通过网络获得预先设置好的拖轴轮径，通过拖轴速度传感器获得拖轴转速，经控制单元处理后获得拖轴速度；通过电机速度传感器获得电机转速，按照齿轮箱传动比计算本车动轴转速；根据拖轴速度、动轴转速计算动轴轮径，动轴轮径=拖轴轮径*拖轴转速/动轴转速。此过程称为轮径校正，轮径校正是牵引控制单元重要的功能之一，可以获得真实的动轴轮径，用以计算动轴速度，作为判断动轴空转的依据之一。
四、影响粘着力的条件
影响粘着的条件有很多，主要包括环境因素、线路因素等。环境因素：雨雪天气等空气湿度大的条件下，轨面湿滑甚至结冰，粘着条件变差。线路原因：线路的大曲率、大坡度等也会导致粘着条件变差。
五、改善粘着条件的方法
为了改善粘着条件，在低粘着的条件下获得良好的牵引力和制动距离，高速动车组设置了撒砂功能、踏面清扫功能等增粘措施。
撒砂装置布置在部分轮对旁，在动车组发生空转、滑行时可自动触发撒砂功能，也可以根据需要手动撒砂。启动撒砂后，通过压缩空气将存储在砂箱的石英砂喷洒在车轮和钢轨之间，在雨雪油污等条件破坏钢轨表面水膜、油膜，粘着情况改善效果明显。
踏面清扫设置在每个车轮上，由中央控制单元控制，按照预定的周期进行踏面清扫，去除踏面上的杂质，改善粘着条件。
六、结语
我国高速铁路发展快速，动车组制造技术水平与日俱增，作为影响运行安全的空转、滑行控制功能，仍是人们关注的重点问题。高速动车组具备完善的空转、滑行控制能力，可以最大限度的提高驱动力、制动力的使用，保护轮轨免受损伤。
参考文献：
[1]王颖超.高速动车组粘着控制算法研究[学位论文].北京交通大学.2009.06
[2]陈伟，周军，王新海，等 . 和谐号动车组制动防滑控制理论与试验［J］. 铁道机车车辆，2011，31（5）
